При всех методах поверхностного упрочнения в поверхностных слоях создаются благоприятные остаточные напряжения сжатия1 (до 300...600 МПа, а в случае азотирования до 1000 МПа и более), которые существенно повышают усталостную прочность деталей2, уменьшают их чувствительность к концентраторам напряжений и увеличивают контактную прочность.
Детали после закалки ТВЧ обладают высокой статической и усталостной прочностью, высокой износостойкостью, контактной прочностью и малой чувствительностью к концентраторам напряжений. Но чаще всего закалку ТВЧ производят для увеличения износостойкости.
В сравнении со сквозной закалкой с печного нагрева при закалке ТВЧ отсутствуют явления окисления и обезуглероживания поверхности при нагреве. Закалка ТВЧ с успехом применяется вместо цементации, сквозной закалки с отпуском, так как позволяет снизить стоимость термической обработки, повысить производительность, получить значительную экономию легирующих элементов. Однако при закалке ТВЧ внешняя форма деталей имеет важнейшее значение. У многих деталей внешняя форма такова, что исключает возможность применить к ним такую закалку.
Назначение цементации деталей с последующей термической обработкой - придать их поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости или предел выносливости (усталостной прочности) при изгибе и кручении. Однако себестоимость упрочнения цементацией примерно в 2,5…3 раза выше по сравнению с закалкой ТВЧ.
Азотирование следует использовать для деталей, испытывающих высокие циклические нагрузки при умеренных контактных напряжениях и работающих в условиях трения скольжения (или абразивного износа), а также в случаях, когда требуется низкая склонность к задирам.
Положительное влияние азотирования тем сильнее, чем меньше размеры поперечного сечения деталей и больше в ней концентраторов напряжений. Контактная усталостная прочность у азотированных сталей ниже, чем цементованных, но выше, чем у сталей после закалки ТВЧ. Толщина азотированного слоя деталей, работающих с контактными нагрузками, должна быть не менее 0,45...0,5 мм. Износостойкость азотированного слоя в 1,5…4 раза выше износостойкости закаленных высокоуглеродистых сталей, а также цементованного слоя.
При азотировании практически отсутствуют объемные изменения и коробление деталей.
Недостатки азотирования - высокая хрупкость и малая толщина слоя, необходимо изготавлять детали из легированных сталей, длительность процесса наибольшая.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите варианты возможных условий работы сопряженных пар деталей.
2. Какими свойствами должны обладать поверхностные слои и сердцевина деталей в каждом случае для обеспечения нормальной (надежной) работы?
3. Назовите виды обработки, позволяющие существенно изменять свойства поверхностных слоев.
4. Как нагревается деталь при закалке ТВЧ?
5. Рекомендуемые глубины закаленных слоев в зависимости от условий работы деталей.
6. При каком содержании углерода в стали можно достичь твердости, близкой к максимальной?
7. Одинаковы ли твердость и микроструктура стали в поверхностном слое после закалки с печного нагрева и нагрева ТВЧ?
8. Какой процесс называют цементацией и какие конструкционные стали (указать содержание углерода) следует использовать для данного процесса?
9. Из каких соображений устанавливается величина концентрации углерода в насыщенном слое? Какова при этом микроструктура цементированного слоя после окончательной термической обработки?
10. В каких пределах может изменяться глубина слоя цементации?
11. Какой термической обработке подвергают цементирование детали, и с какой целью?
12. Каким образом можно улучшить вязкость сердцевины деталей?
13. Назовите рекомендуемые соотношения твердости поверхностного слоя и сердцевины в случае применения легированных сталей.
14. Какой процесс называют азотированием? Какие стали рекомендуется применять?
15. Назовите микроструктуру, уровень твердости и глубину азотированного слоя?
16. Какой термической обработке подвергают детали, назначаемые на азотирование?
17. За счет чего улучшается работоспособность деталей после закалки ТВЧ, цементации и азотирования?
18. Когда целесообразно применять закалку ТВЧ, цементацию и азотирование?
19. При какой обработке себестоимость упрочнения деталей ниже?
20. Какие достоинства и недостатки характерны для цементации и азотирования?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Солнцев, Ю.П. Материаловедение: учеб. для вузов/ Ю.П.Солнцев, Е.И.Пряхин: под ред Ю.П.Солнцева. – 4-е изд. перераб. и доп. – СП.б.: Химиздат, 2007. – 784 с.
2. Арзамасов, Б.М. Материаловедение: учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.Н. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]: под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 5-е изд., стер. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 648 с.
3. Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М.Лахтин. – М.: Машиностроение,1990. - 528 с.
4. Гуляев, А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. – М.: Металлургия, 1986.- 544 с.
5. Лахтин, Ю.Н. Металловедение и термическая обработка металлов / Ю.Н. Лахтин. – М.: Металлургия, 1984.- 321с.
6. Термическая обработка в машиностроении: справочник / под ред. Ю.М.Лахтина, А.Г.Рахштадта. – М.: Машиностроение, 1980.- 783 с.
7. Методика исследования микротвердости поверхностных слоев металла. – Брянск: БИТМ, 1984.-11 с.
Материаловедение, материаловедение и технология конструкционных материалов. Изучение микроструктуры сталей после поверхностного упрочнения (закалка ТВЧ, цементация, азотирование): методические указания к выполнению лабораторной работы № 12 для студентов очной изаочной форм обучения всех специальностей
Мельников Валентин Павлович
Давыдов Сергей Васильевич